pc智能仪表设计说明书

1、文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持1.1 设计题目和目的实现智能数字显示仪表。要求8 位数码管显示（4 位显示测量值，4 位显示设定值） ， 4 输入按钮（功能选择、数码管选择、数字增加、数字减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报警）。适配PT100热电阻，测温范围为0c 300C o采用比例控制、并用晶闸管脉宽调制驱动1000W 电加热器（电源电压为AC220V） 。涉及智能仪表硬件与软件设计。智能仪器课程设计是智能仪器课程教学的重要环节， 根据设计智能仪表产品的课程改革目的，特选择一些小型智能仪表产品作为课设题目，满足教学需求。单片机综合练习是一项综合性的专业实践活

2、动，目的是让学生将所学的基础理论和专业知识运用到具体的工程实践中，以培养学生综合运用知识能力、实际动手能力和工程实践能力。1.2 设计基本要求1）正确理解设计题目，经过查阅资料，给出正确设计方案，画出详细仪表原理框图（各个功能部分用方框表示，各块之间用实际信号线连接）。在互连网上收集题目中所用到的器件资料，例如传感器（热偶分度表等）、信号调理电路、AD 转换器、单片机、继电器、电源、显示器件等。在互连网上收集相关单片机的显示、AD 转换、显示、控制算法等程序。在充分研究这些资料基础之上，给出设计方案（选择信号调理电路、单片机、显示、按键输入、继电器驱动、电源等，简要说明选择的理由）2）用Pro

3、tel99SE 软件设计仪表详细原理图。要求正确标记元件序号、元件数值、封装名。3）设计PCB 图在画 PCB 前应该购买元件，因为有了元件才知道封装尺寸，但也可以不购买元件，只到元件商店测量实际元件尺寸后，画封装图。（ 4）熟悉单片机内部资源，学会ADC、 SPI 接口、定时器、中断、串口、I/O引脚等模块的编程。（ 5）采用C 语言开发所设计仪表的程序。按照题目要求，确定仪表需要完成的任务（功能），然后分别编制各任务的程序。程序应该有说明，并有详细注释。1.3 设计原理由热电阻传感器送来的电信号在测量桥路进行冷端自动补偿后，送入放大器， 一面把信号进行放大，同时把非线性信号校正为线性信号，

4、经线性放大信号一路A/D转换电路把模拟量转换成数字信号进行数字显示，另一路传输到调节网络， 进行规定的比较运算，同时输出一个需要的控制信号和进行工作状态指示。1文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持二.硬件设计1.1 系统原理框图本设计智能温度数显表由温度监测、信号处理、输出控制三部分组成。其系统框图如图1所示，它通过Pt100热电阻传感器获取绕组温度值， 经信号调理电路处理后直接送入控制器的 A/D转换输入端。微控制器 根据信号数据及设定的各种控制参数，按照嵌入的软件控制规律执行 计算与处理，自动显示智能仪表数显表可测的温度范围、并根据当前 状态输出正常、设定上下线报警

5、等。31.1.1 STC89C51 简介U3pl 01pl 12口 1 23I 34pl，5pL 36p1 67pl ；*XRSI9P3 OA1。F3 U11P3 212P3 313P3 4MP3 315P3 §16F3 TU18 19GXD 200 12 3 4 5 6 7 T M- a - 11 -H 11 H 11 11 11 11 PPPPPPPPRp3.0( RaD) P3.1(TXD) P3.2I1NT0) P3.3(INT1)P3.4i70)P3.5(T1) P35WR) P3.7iRD) XTAL2XT ALLVCC PO.O(ADO) PO.1(AD1) P0.2(

6、AD2) P0J(AD3) P0.4(AB4) P0.5(AD5) P0.6(AB6) P05(AD7) EAftTP ALE(PROG) PSENP2J(A15) P2.6(A14) P2.5(A13) P2.4(A12) P23(AI1) P2.2(A10)P2.1(A9) P2,0(AS)40-5VSTCS9C51STC89C51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051 的单片机，有PDIP-40、PLCC-44、PQFP-44三种封装形式。Intel公司MCS-51单片机的基本结构如图1-4所示。该单片机具有如下资源：(1) 一个8位算术逻辑单元(CPU)。(2) 4组，共32个

7、I/O 口，每口 8个引脚，可单独寻址，其中P0、P2 口具有地址/数据总线功能。(3)两个16位定时/计数器(简称为定时器)。(4)全双工串行通信口。(5) 5个中断源，具有两个中断优先级。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持（ 6） 128B 内置 RAM 。（ 7）具有 64KB 可寻址数据和代码区。（ 8）各个模块采用三总线（地址、数据和控制）连接。（9）开放总线接口，P0 口分时作为8位数据总线与8位地址总 线，P2 口作为地址总线高8位。每个 MCS-51 单片机处理周期包括12 个时钟周期（又称为一个机器周期），每 12个时钟（一个机器）周期用来完成一个

8、操作，例如取指令等，指令执行时间为时钟频率除以12 后取倒数，如果系统时钟是12MHz,则相当于执行每条指令所需要的时间 1 ws。1.1 /O 端口I/O 端口0、 1、 2、 3驱动器与锁存器。2 .存储器部分RAM ： 51 单片机具有128 字节的片内RAM ，FLASH ： 片内ROM， 用于保存代码等，片内 ROM 采用 FLASH 结构的存储器构成，具有ISP功能，容量随型号不同而不同，对于AT89S51单片机，FLASH 容量为4KB。SP:栈指针3 .算术与逻辑运算部分寄存器B:用于乘除等操作的寄存器，常保存运算的第2操作数。ACC:累加器，TMP1、TMP2:暂存器，用于暂

9、时保存数据。ALU ： 8 位算术逻辑单元ALU ，PSW:程序状态字，4 .指令处理部分程序地址寄存器：用于保存程序地址。缓冲器：缓冲总线数据。PC+1:程序计数器加1处理模块。PC：保存下一条指令地址的16位地址寄存器，可寻址范围为 64K。DPTR:双数据指针，DPTR为两个8位缓存器（DPH和DPL）组成 的 16位缓存器，。5 .时序控制与指令寄存部分定时与控制单元：指令寄存器：保存指令并指令译码后，在定时与控制单元的配合下，使 CPU 执行各种操作。WDT:看门狗。用于程序不运行时，自动复位单片机。OSC:时钟振荡器，与外接石英晶体一起组成时钟振荡器。6 .ISP部分ISP端口：通

10、过该端口与 PC通信，实现在系统编程（ISP）。编程逻辑：控制ISP操作。7.外围模块部分该单片机的外围模块包括两个定时器，串行接口、4 个 I/O 口与外中断模块。5文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持1.2基本模块简介1.2.1 Pt100温度测量接口技术(1)钳金属热电阻简介钳金属电阻精度高，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；最常用钳电阻按照0c时的电阻值分为R0=10Q、R0=10g和 R0=1000等几种，称为 Pt10、Pt100、Pt1000;钳电阻阻值与温度之间的关系呈非线性，即Rt = R0 (I +2 t +t 祁 0 630 c

11、之间)式中：Rt是钳热电阻的电阻值，单位为 Q ;R0是钳热电阻在0c时的电阻值，对于 PT100, R0 = 100 Q；口是一阶温度系数，% = 3.912 权(10)B是二阶温度系数，B = 6.179&(0)钳热电阻PT100的阻值与温度之间的关系称为分度表，分度表给出温度每变化10c对应的阻值。温度cPT100阻值 Q传感两端电压 mV0100.00124.381100.39124.850119.40147.79100138.51170.64150157.33192.93200175.86214.68250194.10235.90300212.05256.59基于PT100传

12、感器测温的智能测温仪表试采用STC89C51单片机实现智能测温仪表。要求8位数码管显示（上 排4位显示测量值，下排4位显示设定值），4输入按钮（功能选择、 数码管选择、数值增加、数值减少），可设定上下限报警（蜂鸣器报 警）值。传感器为PT100热电阻，测温范围为0C300C。采用比例 控制、并用晶闸管过零驱动1000W电加热器（电源电压为220VAC）。 还可以输出与温度成正比的4-20mA电流远传到其他仪表。由题目可知，该测温仪表需要如下电路模块:（1）单片机电路（包括单片机最小系统、 ADC、数码显示、按键、LED灯、电源等）（2）热电阻PT100信号调理电路（3） 420mA输出电路与加

13、热功率驱动电路+A5VQVC1RG11RF1104100k QPT100VR13k QR23k 0R4 100kRx11000R3口10kQ.C3 104U2.TL431ARP0200。V+A5V C4LMU1Aa 10k。7LM358JPT1001/2 LM358U1BCON2RF210k Q 22k Q 10kRP11211晶闸管过零驱动电路220VJ1J11ziJ1 2 r加热器2000Ww1.2.4 4-20mA电流输出电路A:显示电路JSPIJ5951UyB C D E F G H Q Q Q Q Q Q Q HC595n8n7 n6 n5 n4n3 n2 n1HQwA B C d

14、E F g 同Uy2QQQ Q Q qQ QqHC595PB5MOSIPB4-PB7SCKdatadgrlcrsKCRdng 8V RESKCRSRCKISRCK114681+5SM1显示的是热电阻测的电加热器的实际温度值，SM2M示的是人工设计的电加热器的期望温度值。数码管是有 HC595S片来驱动的，HC595S在SPI通信的3个接口上B:指示电路对应，当某个按键按下时，单片机相应的引脚将置低电平， 使该按键相对应 的二极管发光。绪才靛百g群前曲- 莒4个按键与单片机的接线图及个按键的作用如上图所示；当单片机的引脚 输入为低电平时，表示该引脚所对应的按键按下，单片机实现相应的功能。当温度超

15、过报警限时，单片机相应管脚输出一定频率的电平。蜂鸣器发出响声1.2.9通信电路该模块用到跳线，不通信时 D。D1 口作为常规I/O 口使用；通信时其作为 通信口使用，实现单片机与单片机或是其它上位机的通信。文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持17山3 、l-E：i一氐 Lct比例控制（P）是一种控制算法，其输出量 out与温度偏差e=SV-PV成比例关系，写成数学公式是：out= kp * e+out0式中，e是测量温度值PV与设定温度值SV之间的偏差，Kp是比例系数。out是输出量。out0是对应e=0时的控制量，可由人工确定，通常取输出控制量0t.不同比例系数Kp下

16、对象温度变化示意图若是假设比例带为pb,控制量为out,设最大偏差值就是温度设置值。则有如下的伪代码如下：e=PV-SV;kp=1/pb;out=kp*e+out0; if(out>outm) out=outm;if(out<0)out=0;温度范围0200C的热电阻PT100的表格如下：unsigned char code R_TABLE21=100 ，119.40 ，138.51, 157.33, 175.86， 194.10， 212.05;若是对于热电阻，有如下方法计算测得量RX。假设 Ri 代表对应温度Ti 的热电阻，测量得到的热电阻值为Rx，查表可知它位于（Ri， Ti

17、 ）和 R（i+1） ， T（i+1） 两个标定点之间，则热电阻Rx 所对应的温度值Tx 可由下式求得，其算法示意如图10-2所示。两相邻电阻之间差50，则（Ri+1 Ri） /50 为直线斜率。可以得到Ri到RX的温度差为：T （ Rx Ri） =（ 50/（ Ri+1 Ri） ） *（ Rx Ri）线性标度变换的前提条件是传感器的输出信号与被测参数之间呈线性关系Ax(AmAo)NmNoN；Ax实际测量值（工程量）A0 一次测量仪表的下限（测量范围最小值）Am一次测量仪表的上限（测量范围最大值）N0仪表下限所对应的数字量。Nm仪表上限所对应的数字量。Nx实际测量值所对应的数字量。（1）初始化

18、任务I/O引脚初始化（按钮、LED丁、ADC DAC E2PROMR SPI用引脚初 始化）。定时器0初始化。中断初始化。（2）按钮任务：检测按钮并执行按钮动作，需要软件消除抖动。功能选择按钮：循环选择功能，例如，正常运行、设置报警上限值、 设置报警下限值、设置温度给定值、设置比例控制回差值等功能。在 数值设置状态，每按一次按钮，上排 4位数码管显示功能码，下排显 示设置值；在正常运行状态，上排显示测量值，下排显示设定温度值。 数码管选择按钮：选择需要设置数值的数码管。数值增加按钮：用于设置数值的增加，每按下一次，数值加1。数值减少按钮：用于设置数值的减少，每按下一次，数值减1。按钮设置值应该

19、随时保存到24C02中。( 3)扫描显示任务：数码管位选择与段码输出，就是将显示缓冲区的内容发送到数码管显示，将要显示的数据，组合成数组，再转换成十进制数字，发送到74HC595不需要每个主程序循环都发送显示任务， 因此可在定时器0 中断中设置显示任务执行标记，当标记为1 时，执行显示任务。由于显示内容随按钮选择的功能不同而不同，因此功能选择按钮任务中应该给出显示控制标记，控制显示内容。(4) TLC1549数据获取任务，需要将读 TLC1549的程序写成函数。 在定时器0中设置ADC&务执行标记，当该标记为1时，执行ADC攵 据获取任务。要求连续读取8 个数据，然后取平均值。并将完成

20、滤波后的数据存入显示数组。(5) 24C02读写任务，需要编制读写 24C02的函数。单片机用软件 控制引脚实现I2C接口，在上电时，应该读出所有保存在24C02中的 数据到数组中；在设置各种数据时，应该随时将设置的数据字节写入24C02。( 6) TLC5615 任务，该任务是把温度转换成的代表电流的数字写入TLC5615， 实现电流输出。该任务在定时器0 给出的标记控制下执行。(7)定时器0中断任务，该任务是产生间隔的定时信号， ADC专换、 扫描显示、DAO出以及采样周期、数据计算等都需要定时器 0给出 标记，在标记为1 时，才能执行任务。文档来源为:从网络收集整理.word 版本可编辑.欢迎下载支持（ 8）数据处理任务将TLC1549输出的数字通过标度变换转成温度值。因为PT100的电